液压集成系统分析和选型计算

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系统时,有些步骤可以合并或省略。通过本章学习,要求 对液压系统设计的内容、步骤、方法有一个基本的了解。
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10.1 液压传动系统的设计计算
液压传动系统的设计是整机设计的一部分,它除了 应符合主机动作循环和静、动态性能等方面的要求外, 还应当满足结构简单,工作安全可靠,效率高,经济性
好,使用维护方便等条件。
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(4) 重力负载 Fg (5) 密封负载 Fs 密封负载是指液压缸密封装置的摩擦力,一般通过液
压缸的机械效率加以考虑,常取机械效率值为0.90~0.97。
(6) 背压负载 Fb
背压负载是指液压缸回油腔压力所造成的阻力。
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液压缸各个主要工作阶段的机械负载F可按下列公式计算
空载启动加速阶段: F ( Ff Fa Fg ) / m
k h At
式中: A—油箱的散热面积;
(10.15)
t —液压系统的温升;
系统的温升为
k h —油箱的散热系数,其值可查阅液压设计手册。
t

kh A
(10.16)
计算温升值如果超过允许值,应采取适当的冷却措施。
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10.1.5 绘制正式工作图和编制技术文件
10.1.5.1 绘制正式工作图 正式工作图包括液压系统原理图、液压系统装配图、 液压缸等非标准元件装配图及零件图。液压系统原理中
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10.1.4.2 系统发热温升的验算
液压系统在工作时,有压力损失,容积损失和机械 损失,这些损耗能量的大部分转化为热能,使油温升高 从而导致油的粘度下降,油液变质,机器零件变形,影
响正常工作。为此,必须将温升控制在许可范围内。
单位时间的发热量为液压泵的输入功率与执行元件 的输出功率之差。
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一般情况下,液压系统的工作循环往往有好几个阶 段,其平均发热量为各个工作周期发热量的时均值,即
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10.1.2.3 绘制液压系统原理图
将挑选出来的各典型回路合并、整理,增
加必要的元件或辅wenku.baidu.com回路,加以综合,构成一
个结构简单,工作安全可靠、动作平稳、效率
高、调整和维护保养方便的液压系统,形成系 统原理图。
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10.1.3 液压元件的计算和选择
10.1.3.1 执行元件的结构形式及参数的确定 结构参数的确定是指根据执行元件工作压力和最大流 量确定执行元件的排量或油缸面积。
验算结果若不能满足式(10.8),则说明按所设计的结 构尺寸和方案达不到所需要的最低速度,必须修改设计。
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(3)复算执行元件的工作压力 当液压缸的主要尺寸D、d计算出来以后,要按系列标 准圆整,有必要根据圆整值对工作压力进行一次复算。
在按上述方法确定的工作压力还没有计算回油路的背
压,所确定的工作压力只是执行元件为了克服机械总负载 所需要的那部分压力,在结构参数D、d确定之后,取适当 的背压估算值,即可求出执行元件工作腔的压力。
快速阶段:
( 10.4 )
F (Ff Fg ) / m
(10.5)
(10.6) (10.7)
工进阶段: F ( Ff Fw Fg ) / m 制动减速:
F (Ff Fw Fa Fg ) / m
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10.1.2 液压系统原理图的拟定
液压系统原理图是表示液压系统的组成和工作原理
液压系统的设计,根据系统的繁简、借鉴的资料多 少和设计人员经验的不同,在做法上有所差异。各部分
的设计有时还要交替进行,甚至要经过多次反复才能完
成。 下面对液压系统的设计步骤予以介绍。
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10.1.1 明确设计要求、工作环境,进行工况分析
10.1.1.1 明确设计要求及工作环境
液压系统的动作和性能要求主要有:
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(2)确定执行元件的主要结构参数 以缸为例,主要结构尺寸指缸的内径 D 和活塞杆的直 径d,计算后按系列标准值确定D和d。 对有低速运动要求的系统,尚需对液压缸有效工作面 积进行验算,即应保证:
q min A v min
式中
(10.8)
:A—液压缸工作腔的有效工作面积; vmin—控制执行元件速度的流量阀最小稳定流量; qmin —液压缸要求达到的最低工作速度。
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10.1.2.2 选择液压回路
根据各类主机的工作特点、负载性质和性能要求,先确 定对主机主要性能起决定性影响的主要回路,然后再考虑其 它辅助回路。例如: 对于机床液压系统,调速和速度换接回路是主要回路;
对于压力机液压系统,调压回路是主要回路;
有垂直运动部件的系统要考虑平衡回路; 惯性负载较大的系统要考虑缓冲制动回路。 有多个执行元件的系统可能要考虑顺序动作、同步回路; 有空载运行要求的系统要考虑卸荷回路等。
10.1.4 液压系统技术性能的验算
液压系统初步设计完成之后,需要对它的主要性能加 以验算,以便评判其设计质量,并改进和完善液压系统。 10.1.4.1 系统压力损失的验算 画出管路装配草图后,即可计算管路的沿程压力损失, 局部压力损失,它们的计算公式详见《液压流体力学》, 管路总的压力损失为沿程损失与局部损失之和。 在系统的具体管道布置情况没有明确之前,通常用液 流通过阀类元件的局部压力损失来对管路的压力损失进行 概略地估算。
载的变化规律,必要时还应作出速度、负载随时间 或位移变化的曲线图。 就缸而言,负载主要由六部分组成,即工作负 载,导向摩擦负载,惯性负载,重力负载,密封负 载和背压负载。
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(1) 工作负载 Fw 不同的机器有不同的工作负载。工作负载与液压 缸运动方向相反时为正值,方向相同时为负值。 (2) 导向摩擦负载 F f 导向摩擦负载是指液压缸驱动运动部件时所受的导 轨摩擦阻力。 (3) 惯性负载 Fa 惯性负载是运动部件在启动加速或制动减速时的惯性 力,其值可按牛顿第二定律求出。
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p
(10.13)
10.1.3.3 选择阀类元件
各种阀类元件的规格型号,按液压系统原理图和系 统工况提供的情况从产品样本中选取,各种阀的额定压 力和额定流量,一般应与其工作压力和最大通过流量相
接近。
具体选择时,应注意溢流阀按液压泵的最大流量来 选取;流量阀还需考虑最小稳定流量,以满足低速稳定 性要求。
q p k qmax
式中:
(10.11)
K— 系 统 的 泄 漏 修 正 系 数 , 一 般 取 K=1.1~1.3; qmax —同时动作的各执行元件所需流量之 和的最大值。
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(3)选择液压泵的规格型号
液压泵的规格型号按计算值在产品样本选取,
为了使液压泵工作安全可靠,液压泵应有一定的
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10.1.3.2 选择液压泵 先根据设计要求和系统工况确定泵的类型,
然后根据液压泵的最大供油量和系统工作压力来
选择液压泵的规格。
(1) 液压泵的最高供油压力
p p p pl
式中:
(10.11)
p
p —执行元件的最高工作压力;
l
—进油路上总的压力损失。
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(2)确定液压泵的最大供油量 液压泵的最大供油量为:
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图10.1为该机床的外形示意图。
1-左主轴头;2-夹具;3-右主轴头;4-床身;5-工件
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10.2.1
确定对液压系统的工作要求
根据加工要求,刀具旋转由机械传动来实现;主轴头 沿导轨中心线方向的“快进一工进—快退—停止”工作循环 拟采用液压传动方式来实现。故拟选定液压缸作执行机构。
运动方式、行程、速度范围、负载条件、运动
平稳性、精度、工作循环和动作周期、同步或联
锁等。就工作环境而言,有环境温度、湿度、尘 埃、防火要求及安装空间的大小等。
要使所设计的系统不仅能满足一般的性能要求,
还应具有较高的可靠性、良好的空间布局及造型。
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10.1.1.2 执行元件的工况分析
工况分析,就是查明每个执行元件的速度和负
应附有液压元件明细表,表中标明各液压元件的型号规
格、压力和流量等参数值,一般还应绘出各执行元件的 工作循环图和电磁铁的动作顺序表。
液压系统装配图是液压系统的安装施工图,包括油
箱装配图,管路安装图等。
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10.1.5.2 编制技术文件
技术文件一般包括液压系统设计计算说明书,液压 系统使用及维护技术说明书,零、部件目录表及标准件、
工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它 的大小影响执行元件的尺寸和成本,乃至整个系统的性 能,工作压力选得高,执行元件和系统的结构紧凑,但
对元件的强度,刚度及密封要求高,且要采用较高压力
的液压泵。 反之,如果工作压力选得低,就会增大执行元件及 整个系统的尺寸,使结构变得庞大,所以应根据实际情 况选取适当的工作压力。
的重要技术文件。拟定液压系统原理图是设计液压系统 的第一步,它对系统的性能及设计方案的合理性、经济 性具有决定性的影响。
10.1.2.1 确定油路类型 一般具有较大空间可以存放油箱的系统,都采用开 式油路;相反,凡允许采用辅助泵进行补油,并借此进 行冷却交换来达到冷却目的的系统,可采用闭式油路。 通常节流调速系统采用开式油路,容积调速系统采用闭 式回路。
表10.1 选择执行元件的形式 运动 形式 往复直线运动 回转运动 往复 摆动
短行 程 建议采 用的执 行元件 的形式 活塞 式液 压缸
长行程
高速
低速
柱塞式液压缸 液压马达与齿 轮/齿条或螺母 /丝杠机构
高 速 液 压 马达
低速大扭矩液压 马达 高速液压马达带 减速器
摆 动 液 压 缸
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(1)初选执行元件的工作压力
通用件、外购件表等。
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10.2 液压系统设计举例
某厂要设计制造一台双头车床,加工压缩机拖车上 一根长轴两端的轴颈。由于零件较长,拟采用零件固定, 刀具旋转和进给的加工方式。其加工动作循环是快进 —
工进—快退—停止。同时要求各个车削头能单独调整。
其最大切削力在导轨中心线方向估计为12000N,所要移 动的总重量估计为 15000N ,工作进给要求能在 0.020 ~ 1.2m/min范围内进行无级调速,快速进、退速度一致, 为 4 m/min,试设计该液压传动系统。
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对于单杆液压缸,其工作压力P可按下列公式复算。
A2 F 无杆腔进油工进阶段 p pb (10.9) A1 A1
有杆腔进油阶段
A1 F p pb (10.10) A2 A2
式中 :F—液压缸在各工作阶段的最大机械总负载;
A1 、 —分别为缸无杆腔和有杆腔的有效面积;
A2
pb —液压缸回油路的背压。
压力储备量,通常泵的额定压力可比工作压力高
25%—60%。泵的额定流量则宜与相当,不要超过
太多,以免造成过大的功率损失。
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(4)选择驱动液压泵的电动机
驱动泵的电机根据驱动功率和泵的转速来选择。 在整个工作循环中,泵的压力和流量在较多时间内 皆达到最大工作值时,驱动泵的电动机功率为:
P
ppqp
p —液压泵的总效率,数值可见产品样本。 式中: 限压式变量叶片泵的驱动功率,可按泵的实际压力流 量特性曲线拐点处的功率来计算。 工作中泵的压力和流量变化较大时,可分别计算出各 个阶段所需的驱动功率,然后求其均方根值即可。
1 n ( Pii Poi )t i (10.14) t i 1
式中
Pii —第个工作阶段系统的输入功率;
Poi —第个工作阶段系统的输出功率; t —工作循环周期; t i —第个工作阶段的持续时间; n —总的工作阶段数。
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液压系统在工作中产生的热量,主要经油箱散发到 空气中去,油箱在单位时间散发热量的可按下式计算
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10.1.3.4 选择液压辅助元件
油管的规格尺寸大多由所连接的液压元件接口处 尺寸决定,只有对一些重要的管道才验算其内径和壁 厚。
对于固定式的液压设备,常将液压系统的动力源,
阀类元件集中安装在主机外的液压站上,这样能使安 装与维修方便,并消除了动力源的振动与油温变化对 主机工作精度的影响。
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(4)执行元件的工况图
即执行元件在一个工作循环中的压力、流量、功率对
时间或位移的变化曲线图。将系统中各执行元件的工况图 加以合并,便得到整个系统的工况图。
液压系统的工况图可以显示整个工作循环中的系统压
力、流量和功率的最大值及其分布情况,为后续设计步骤 中选择元件、选择回路或修正设计提供合理的依据。 对于简单系统,其工况图的绘制可省略。
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本章提要
本章介绍设计液压传动系统的基本步骤和方法,对于 一般的液压系统,在设计过程中应遵循以下几个步骤: ①明确设计要求,进行工况分析; ②拟定液压系统原理图; ③计算和选择液压元件; ④发热及系统压力损失的验算; ⑤绘制工作图,编写技术文件。 上述工作大部分情况下要穿插、交叉进行,对于比较
复杂的系统,需经过多次反复才能最后确定;在设计简单
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